Materials and design investigation of a PLA-derived screw for small bone osteotomies: computational and experimental analysis

The thesis addresses the design and mechanical performance of a PLA-based polymer bioresorbable screw for use in small bone osteotomies, in particular, its application in Chevron osteotomy for the surgical correction of hallux valgus. The study was conducted in collaboration with LSM Med, a San Marino Republic biomedical company, with the aim of optimizing both the material and design of the screw for meeting the strict mechanical demands of orthopedic fixation along with biocompatibility as well as full resorption over time. Hallux valgus is a common musculoskeletal condition of the lateral deviation of the big toe, often requiring surgery for moderate and severe deformities. Chevron osteotomy is a very common procedure for the condition, and internal fixation is typically achieved with screws. While metallic screws offer better mechanical behavior, they often require secondary removal surgery, with possible patient discomfort, infection risk, and further healthcare costs. Biodegradable polymers, on the other hand, eliminate the need for removal but are flawed by a deficiency of mechanical strength, particularly in torsion and bending. The present study proposes to transition from a non-cannulated to a cannulated screw geometry, with the intention of improving surgical accuracy and guidance without compromising structural integrity. The research follows a two-pronged approach, combining experimental testing and computational simulation to compare and contrast different materials and geometrical configurations. The experimental work involves manufacturing screw prototypes through injection molding of a number of PLA-based polymers like PLLA, PLGA, and P(L/DL)LA, with and without reinforcement with bio-glass fibers. The samples were exposed to torsional loads to simulate screw insertion, and bending loads under standardized cantilever and site-specific tests involving bone-simulating Sawbones. The maximum torque, bending stiffness, and fracture patterns are a few of the essential mechanical parameters measured. To supplement this, finite element analysis was performed using ANSYS to evaluate stress distribution, modes of deformation, and regions of potential failure under physiological loading conditions. This allowed design variations to be explored, including socket geometry and internal cannulation changes, without the need for large-scale physical prototyping. The results show that PLGA provides the best balance between mechanical performance and manufacturability, with an improved resistance to torsional and bending loads compared to PLLA and P(L/DL)LA. Moreover, the computational models confirmed that a cannulated design can meet reasonable mechanical performance if it is adequately optimized, particularly through socket geometry optimization and stress distribution control. In conclusion, it is demonstrated in this thesis that through materials and design optimization, it is possible to achieve a bioresorbable screw with mechanical characteristics suitable for small bone fixation. The integration of experimental and computational approaches is revealed to be key to an effective, cost-efficient, and clinically applicable solution. This work contributes to the area of bioresorbable implants and paves the way toward safer and more successful orthopedic interventions with reduced patient burden.

La tesi tratta della progettazione e delle prestazioni meccaniche di una vite bioassorbibile polimerica a base di PLA per l'uso in piccole osteotomie ossee, in particolare, la sua applicazione nell'osteotomia di Chevron per la correzione chirurgica dell'alluce valgo. Lo studio è stato condotto in collaborazione con LSM-Med, una società biomedica della Repubblica di San Marino, con l'obiettivo di ottimizzare sia il materiale che il design della vite per soddisfare le rigorose esigenze meccaniche della fissazione ortopedica insieme alla biocompatibilità e al pieno riassorbimento nel tempo. L’alluce valgo è una comune condizione muscolo-scheletrica della deviazione laterale del dito grande, spesso richiede un intervento chirurgico per le deformità moderate e gravi. L’osteotomia di Chevron è una procedura molto comune per la condizione, e la fissazione interna è in genere raggiunta con viti. Mentre le viti metalliche offrono un migliore comportamento meccanico, spesso richiedono un intervento chirurgico di rimozione secondaria, con possibile disagio del paziente, rischio di infezione e ulteriori costi sanitari. I polimeri biodegradabili, d'altra parte, eliminano la necessità di rimozione ma sono difettosi per una carenza di resistenza meccanica, in particolare nella torsione e nella flessione. Il presente studio propone di passare da una geometria non cannulata a una geometria cannulata della vite, con l'intenzione di migliorare la precisione chirurgica senza compromettere l'integrità strutturale. La ricerca segue un duplice approccio, che combina prove sperimentali e simulazioni computazionali per confrontare e mettere a confronto diversi materiali e configurazioni geometriche. Il lavoro sperimentale prevede la produzione di prototipi di viti mediante stampaggio ad iniezione di un certo numero di polimeri a base di PLA come PLLA, PLGA e P(L/DL)LA, con e senza rinforzo con fibre di vetro biologico. I campioni sono stati esposti a carichi torsionali per simulare l'inserimento della vite e i carichi di flessione in prove standardizzate a cantilever e a sito d’impianto che coinvolgono modellini di osso Sawbones. La coppia massima, la rigidità flessionale e i modelli di frattura sono alcuni dei parametri meccanici essenziali misurati. Per completare questo, l'analisi degli elementi finiti è stata eseguita utilizzando ANSYS per valutare la distribuzione delle sollecitazioni, i modi di deformazione e le regioni di potenziale guasto in condizioni di carico fisiologico. Ciò ha consentito di esplorare le variazioni del progetto, compresa la geometria delle prese e i cambiamenti della cannulazione interna, senza bisogno di creare prototipi fisici su larga scala. I risultati mostrano che il PLGA offre il miglior equilibrio tra prestazioni meccaniche e lavorabilità, con una migliore resistenza ai carichi di torsione e flessione rispetto al PLLA e al P(L/DL)LA. Inoltre, i modelli di calcolo hanno confermato che un progetto cannulato può soddisfare prestazioni meccaniche ragionevoli se è adeguatamente ottimizzato, in particolare attraverso l'ottimizzazione della geometria della cava e il controllo della distribuzione delle sollecitazioni. In conclusione, è dimostrato in questa tesi che attraverso l'ottimizzazione dei materiali e del design, è possibile ottenere una vite bioassorbibile con caratteristiche meccaniche adatte alla fissazione di piccole ossa. L'integrazione di approcci sperimentali e computazionali si rivela essere la chiave per una soluzione efficace, economica e clinicamente applicabile. Questo lavoro contribuisce al settore degli impianti bioassorbibili e apre la strada verso interventi ortopedici più sicuri e di maggior successo con un carico ridotto per il paziente.